（生物物理学专业论文）信鸽瓶状囊耳石中磁性元素的电感耦合等离子体质谱分析.pdf

摘要 摘要 脊椎动物的内耳中存在耳石器官。在鱼类进化到爬行类、两栖类，再到鸟类 和哺乳动物的过程中，耳石器官不断进化。哺乳动物只含有球囊和椭圆囊两种耳 石器官，而非哺乳动物中还存在另外一种耳石器官瓶状囊。进化水平较高的 鸟类的瓶状囊要比低等动物发育得更好。瓶状囊进化地位的特殊性引起了研究者 们极大的关注，而对于它在鸟类神经系统中究竟起怎样的作用更是人们所关心的 问题。 鸟类瓶状囊器官位于耳蜗的顶端，含有耳石并有神经支配，但其功能尚不清 楚。有人认为瓶状囊的耳石中f e 、z n 等元素含量较高，使得鸟类能够感受地球 磁场而具有导航能力，但这个假说目前还存在争议。澄清鸟类是否依赖瓶状囊中 磁性元素来导航这个问题的关键步骤之一是精确地了解瓶状囊耳石磁性元素的 含量是否比内耳球囊和椭圆囊耳石更丰。为此，本研究中应用高灵敏度和稳定性 的电感耦合等离子体质谱法( i c p m s ) 测定成年信鸽瓶状囊耳石样品中铁磁性元 素f e 、c o 、n i 以及其它金属元素的含量( 以c a 作为基准的百分比含量) ，并同 内耳的球囊和椭圆囊耳石中的这些元素的含量进行比较。 本研究的结果发现：成年信鸽瓶状囊耳石中铁磁性元素f e 、c o 、n i 的含量 不足c a 元素的0 7 ，与球囊和椭圆囊耳石中的含量为同一数量级。瓶状囊耳 石中f e 的含量与椭圆囊耳石相比无显著性差异且略低于球囊耳石；瓶状囊耳石 中c o 的含量略低于球囊耳石，但略高于椭圆囊耳石；瓶状囊耳石中n i 的含量与 球囊相比无显著性差异，但略高于椭圆囊耳石。瓶状囊耳石中其它金属元素n a 、 、k 、a l 、m n 、p b 的含量与球囊和椭圆囊耳石相比无显著性差异，但z n 、b a 、 c u 的含量略低于球囊耳石。 这些结果表明成年信鸽瓶状囊耳石中磁性元素的含量极低而且不比内耳球 囊和椭圆囊耳石更丰，从而不支持信鸽瓶状囊耳石中含有较高的f e 、z n 等元素 所以能够感受地球磁场这一假说。信鸽瓶状囊的耳石与椭圆囊的耳石在形态、元 素组成及含量水平上具有相似性，提示这两种耳石器官可能在感受重力和加速度 信号中起相似的作用。 关键词：信鸽瓶状囊耳石磁性元素球囊椭圆囊i c p m s i 一 a bs t r a c t t h e r ea r eo t o l i t h i co r g a n si nt h ei n n e re a ro fv e r t e b r a t e s d u r i n gt h ee v o l u t i o no f v e r t e b r a t e sf r o mf i s h e s ，t oa m p h i b i a n sa n dr e p t i l e s ，a n dt h e nt ob i r d sa n dm a m m a l s ， o t o l i t h i co r g a n sa l s oe v o l v e m a m m a l sh a v et w oo t o l i t h i eo r g a n s ，t h eu t r i c l ea n dt h e s a c c u l e t h em a c u l al a g e n ai sa n o t h e ro t o l i t h i co r g a ni nt h ei n n e re a ro fn o n m a m m a l s ， a n dt h el a g e n ao fm o r ea d v a c e db i r d sd e v e l o p sb e t t e rt h a nt h a to fl o w e ra n i m a l s t h e p a r t i c u l a rs t a t u so ft h el a g e n ad u r i n ge v o l u t i o na t t r a c t sm a n yr e s e a r c h e r s e s p e c i a l l y , t h er o l eo ft h el a g e n ai nb i r d s n e r v o u ss y s t e m ni so fm u c hi n t e r e s t t h em a c u l al a g e n ai nb i r d si s1 0 c a t e da tt h ea p i c a le n do ft h ec o c h l e aa n dc o n t a i n s m a n yt i n yo t o l i t h s t h em a c u l al a g e n ai si n n e r v a t e da n d h a sn e u r a lp r o j e c t i o n st ot h e b r a i n s t e m ，b u ti t sp h y s i o l o g i c a lf u n c t i o ni s s t i l lu n c l e a r i tr e m a i n sd i s p u t a b l et h a t b i r d sc a no b t a i ng e o m a g n e t i ci n f o r m a t i o nf o rh o m i n gb e c a u s eo t o l i t h si nt h el a g e n a a r er i c hi ne l e m e n t sf ea n dz n o n eo ft h ek e ys t e p st oc l a r i f yw h e t h e rh o m i n g p i g e o n sd e p e n do nm a g n e t i ce l e m e n t s i n l a g e n a l o t o l i t h sf o rn a v i g a t i o ni st o a c c u r a t e l yf i n do u tw h e t h e r t h el a g e n a lo t o l i t h sc o n t a i nh i g h e rc o n t e n to fm a g n e t i c e l e m e n t st h a nt h es a c c u l a ra n du t r i c u l a ro t o l i t h s i nt h ep r e s e n ts t u d y , ia n a l y z e dt h e c o n t e n t so ff e r r o m a g n e t i ce l e m e t n s ( f e ，c o ，n i ) a n do t h e rm e t a le l e m e n t si nl a g e n a l o t o l i t h so fa d u l th o m i n gp i g e o n sw i t hi n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m am a s ss p e c t r o m e t r y ( i c p m s ) o fh i g hs e n s i t i v i t y ( a ut h ec o n t e n t sw e r en o r m a l i z e dt oc a ) ，a n dc o m p a r e d w i t l lt h o s ei ns a c c u l a ra n du t r i c u l a ro t o l i t h s t h ep r e s e n ts t u d yf o u n dt h a tt h ec o n t e n t so ff e r r o m a g n e t i ce l e m e n t s ( f e ，c o ，n i ) i nl a g e n a lo t o l i t h so fa d u l th o m i n gp i g e o n sw e r el e s st h a n0 7 ( n o r m a l i z e dt oc a e l e m e n t ) a n dw e r et h es a m eo r d e ri nm a g n i t u d ea st h o s ei ns a c c u l a ra n du t r i c u l a r o t o l i t h s t h ec o n t e n to ff ei nl a g e n a lo t o l i t h sw a sn o ts i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tf r o mt h a t i nu t r i c u l a ro t o l i t h sa n dw a se v e ns l i g h t l yl o w e rt h a nt h a ti ns a c c u l a ro t o l i t h s t h e c o n t e n to fc oi nl a g e n a lo t o l i t h sw a ss l i g h t l yl o w e rt h a nt h a ti ns a c c u l a ro t o l i t h sa n d s l i g h t l yh i g h e rt h a nt h a ti nu t r i c u l a ro t o l i t h s t h ec o n t e n to fn i i nl a g e n a lo t o l i t h sw a s n o ts i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tf r o mt h a ti ns a c c u l a ro t o l i t h sa n dw a ss l i g h t l yh i g h e rt h a n t h a ti nu t r i c u l a ro t o l i t h s t h ec o n t e n t so fo t h e rm e t a le l e m e n t sn a ，m g ，k ，a 1 ，m na n d p bi nl a g e n a lo t o l i t h sw e r en o ts i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tf r o mt h o s ei nu t n c u l a ra n d s a c c u l a ro t o l i t h s t h ec o n t e n t so fm e t a le l e m e n t sz n ，b aa n dc ui nl a g e n a lo t o l i t h s i i a b s t r a c t w e r es l i g h t l yl o w e rt h a nt h o s ei ns a c c u l a ro t o l i t h s t h e r e f o r e ，t h ep r e s e n ts t u a yd o e sn o ts u p p o r tt h eh y p o t h e s i st h a tb i r d sd e p e n do n h i 曲c o n t e n t so ff ea n dz ni nl a g e n a lo t o l i t h s f o rs e n s a t i o no fg e o m a g n e t i c i n f o r m a t i o n s i m i l a r i t i e si nm o r p h o l o g y , e l e m e n ti n g r e d i e n ta n de l e m e n tc o n t e n t b e t w e e no t o l i t h si nt h el a g e n aa n dt h o s ei nt h eu t r i c u l es u g g e s tt h a tt h et w ot y p e so f o t o l i t h i co r g a n sm a yp l a yas i m i l a rr o l ei ns e n s i n gg r a v i t a t i o n a la n da c c e l e r a t i o n s i g n a l s k e yw o r d s ：h o m i n gp i g e o n ，l a g e n a ，o t o l i t h ，m a g n e t i ce l e m e n t ，s a c c u l e ，u t r i c l e ， i c p m s i i i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：壑勉 神6 ( l o w e n s t a m ，1 9 8 1 ) ，在胶质膜中产生耳石( j o l l i l s s o ne ta 1 ，1 9 8 2 ) ；或者钙化基质断 裂产生耳；石( f e r m i ne ta 1 ，1 9 8 7 ) ；( 3 ) 无脊椎动物雨虎属( a p l y s i a ) ( w i e d e r h o l de t a 1 ，1 9 9 0 ) 和栉水母类( c t e n o p h o r a ) ( v i r m i k o ve ta 1 ，1 9 8 1 ) 发现耳石起源于囊斑 的支持细胞。 1 5 2 耳石的发育过程 耳石的正常形成需要一系列复杂的发展阶段和生化过程在时间上和空间上 的有序排列( h u 曲e se ta 1 ，2 0 0 6 ) 。这一过程包括：( 1 ) 耳泡的正确感应和形成； ( 2 ) 感觉囊班，感觉细胞和支持细胞的特异化和分化；( 3 ) 建立适合的离子环 境，保证基质蛋白以及离子正常的输出和加工；( 4 ) 耳石基质蛋白和胶质膜的产 生和输出；( 5 ) 自由的基质蛋白组装成蛋白核心；( 6 ) c a 2 + 和c 0 3 2 - 离子的浓度 不断升高，以在蛋白质核心上启动晶体的形成。以上各个过程必须在特定的时间 点，有序地发生，才能促成耳石的正常发育。 哺乳动物中，大鼠和小鼠( a n n i k o ，1 9 8 0 ，s a l a m a te ta 1 ，1 9 8 0 ) 的耳石晶种最早 于胚胎期第十四天( e 1 4 ) 出现，在e 1 5 1 6 天，耳石的钙化速率达到最大。 鸟类中，鸡耳石最早于e 5 天在球囊中可观察到( f e r m i na n di g a r a s h i ，1 9 8 6 ) ， e 6 天时，生长为沙漏状( b a l l a r i n oa n dh o w l a n d ，1 9 8 2 ) 。随着孵化的进行，鸡耳石 的数量不断增长，形态上发育为长柱形，末端呈三角形，到孵化时耳石生长完成 ( g i n z b e r ga n dg i l u l a ，1 9 8 0 ，g o o d y e a re ta 1 ，1 9 9 5 ) 。尽管耳石在发育的早期阶段就 会开始形成，但鸡的整个生命过程都可能贯穿着耳石的生成( b a l s a m oe ta 1 ， 2 0 0 0 ) 。鹌鹁的耳石发育进程与鸡类似( d i c k m a ne ta 1 ，2 0 0 4 ) 。 两栖类动物中，有肋螈属( o u k d ae ta 1 ，1 9 9 9 ) 的晶体最早于e 3 0 天在耳泡腔 中出现，e 3 3 天时可在球囊和椭圆囊中观察到耳石，分别于幼虫期4 5 天和4 9 天 可在内淋巴囊和瓶状囊中观察到耳石。 1 5 3 发育过程中耳石形态的变化 耳石发育过程的不同阶段伴随着不同形状耳石的出现。下面以鹌鹑和蝾螈为 例对此进行说明。 鹌鹑的发育过程中有三种主要形状的耳石被辨别出：双凹槽的，球状的和成 熟的( d i c k m a ne ta l ，2 0 0 4 ) 。在耳石发育的最早阶段，球囊和椭圆囊耳石中的大多 数耳石为双凹槽型。双凹槽型的耳石随机排列；有的和囊班表面平行，有的与表 面成锐角，极少的与表面几乎垂直；球状耳石外表为圆形或者多面体形，它们在 一5 一 第1 章绪论( 耳石器官的研究进展) 整个发育阶段大小相似，是耳石中最小的，也是数量最少的( 大多数发育阶段少 于3 ) ；成熟的耳石呈桶状，耳石体大小均匀或者是中心部位略为鼓起，表面光 滑，没有凹槽，末端呈三棱面。在耳石发育过程的最初2 4 小时，成熟的耳石稀 少，之后双凹槽耳石减少，而成熟耳石不断增加，可达耳石数量的9 0 9 9 。 两栖类动物蝾螈( s t e y g e re ta l ，1 9 9 5 ) 耳石形态发生的不同阶段会产生很多非 成熟形态的耳石。这些耳石可分为：不成熟的耳石，成熟中的耳石和成年耳石。 不成熟的耳石含有的平面少于6 个。正在成熟的耳石有纹路，两端有三个相互分 离的平面。成年耳石有三个相邻的终端平面，在耳石体表面没有纹路。另外，还 有很多“杂交”状态的耳石，这一类耳石有一半几乎已经完成了形态的发育，只 是还含有分离开的表面。另一半呈锥形，有锯齿状的边缘。杂交的耳石也可能会 有正在成熟中的耳石才具有的条纹。 一些两栖类和爬行类动物耳石发育过程的一个重要特点是球囊耳石的晶型 会发生变化。如有肋螈属在幼虫阶段4 l 天之前，可观察到多面体型的c a l c i t e 耳 石；之后，这些耳石聚集为c a l c i t e 过渡耳石，接着棱柱状和纺锤状的a r a g o n i t e 耳石出现在耳石膜上，位于多面体耳石之间。这些棱柱状和纺锤状的耳石逐渐覆 盖了整个表面。在5 2 天时，球囊中同时存在c a l c i t e 和a r a g o n i t e 耳石，而成年动 物的球囊中只含有棱柱状或纺锤状的a r a g o n i t e 耳石。有肋螈属内耳的其它区域， 发育过程中耳石的晶体结构并未发生变化：椭圆囊耳石始终为c a l c i t e 晶型，内淋 巴囊和瓶状囊耳石始终为a r a g o n i t e 晶型。蜥蜴的球囊耳石在发育过程中也存在 晶体结构的变化：长度为4 5 r a m 的胚胎中的球囊耳石为c a l c i t e 晶型；而成年蜥 蜴的球囊耳石大多为a r a g o n i t e 晶型，只有极少的c a l c i t e 晶型( m a r m o e ta 1 ，1 9 8 1 ) 。 球囊耳石在发育过程中由c a l c i t e 向a r a g o n i t e 的变化与物种进化过程中逐渐以 c a l c i t e 耳石代替a r a g o n i t e 耳石的趋势是相反的， 1 5 4 耳石发育相关蛋白 与耳石发育相关的蛋白包括耳石组分蛋白和非耳石组分蛋白。 1 。5 4 1 耳石组分蛋白对发育的影响 目前，在对鱼类、鸟类和鼠类的研究中，已经发现的与耳石生长相关的耳石 组分蛋白包括：耳石蛋白( o t o l i n ) ( m u r a y a m ae ta l 。，2 0 0 2 ，2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) 、s t a r m a k e r ( s o l l n e re ta 1 ，2 0 0 3 ) 、骨桥蛋白( o s t e o p o n f i n ) ( s a k a g a m i ，2 0 0 0 ) 、o c t o n i n 一9 0 ( w a n g e ta 1 ，1 9 9 8 ) 和钙结合蛋白c b - d 2 8 k ( b a l s a m oe ta 1 ，2 0 0 0 ) ，它们可以结合c a 2 + 。另 外，一些动物的主要蛋白，如多骨鱼中的o m p ( m u r a y a m ae ta 1 ，2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) ，两 一6 一 第l 章绪论( 耳石器官的研究进展) 栖动物中的o c t o n i n 2 2 ( p o t ee ta 1 ，1 9 9 3 ) 是否可以结合c a 2 + 还不清楚。 o t o l i n 含有v i i i 和x 型胶原结构域。x 型胶原可结合c a 2 + ( k i r s e ha n d v o nd e r m a r k , 1 9 9 1 ，v o nd e rm a r k e ta 1 ，1 9 9 2 ) 。有研究表明o t o l i n 在耳石形成过程中可促 进有机基质与c a c 0 3 相互作用，并且可使耳石晶体附着到感觉上皮上( m u r a y a m a e ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 鱼类的主要蛋白o m p 属于铁传递蛋白家族，可结合f e 和z n ，并且可能在 f e 的代谢中起作用( a i s e na n dl e i b m a n ，1 9 7 2 ) 。o m p 的表达要早于o t o l i n 。o m p 可能行使启动耳石生长的功能，并且在晶体形成过程中结合o t o l i n 。 s t a r m a k e r 是斑马鱼的耳石组分，由毛细胞和支持细胞表达( s o l l n e re ta 1 ， 2 0 0 4 ) 。s t a r m a k e r 表达的下调导致了无机晶体的形成( s o l l n e re ta 1 ，2 0 0 3 ) ，提示这 种蛋白质是晶体吸收有机组分所必需的。 c b d 2 8 k 已在哺乳动物和鸡耳蜗中，以及一些成年哺乳动物的耳石膜中发 现。d 2 8 k 免疫反应标记和四环素的荧光标记的对应可能表明c b d 2 8 k 参与了 耳石的形成( b a l s a m oe ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 鼠类的o s t e o p o n t i n 只在前庭毛细胞中表达，耳蜗毛细胞中不表达( u n oe ta 1 ， 2 0 0 0 ) ，它可能与位点特异性的耳石的钙化有关。 蛙( x e n o p u s ) 耳石中的主要蛋白o c t o n i n - 2 2 有一个磷脂类结构域( p l a ) ( p o t ee ta 1 ，1 9 9 3 ) ；鸟类和哺乳动物的o c t o n i n 9 0 中有两个p l a 2 c 同源结构域 ( w a n ge ta 1 ，1 9 9 8 ，v e r p ye ta 1 ，1 9 9 9 ) 。o c t o n i n 9 0 的半胱氨酸残基可能形成多个二 硫键桥，这个稳固的结构为耳石晶体的形成提供了蛋白质骨架。o c t o n i n 一9 0 在分 泌到内淋巴腔之间可在细胞内结合c a 2 + ，分泌之后可在细胞外结合c a 2 + 。 o c t o n i n 一9 0 与晶体核心的正常形成，晶体生长的控制以及晶体稳定性有关。 o c t o n i n 9 0 基因敲除鼠含有的巨大耳石大多为不稳定的无机化耳石( z h a oe ta 1 ， 2 0 0 7 ) 。但巨大耳石的形成同时也提示支持细胞分泌的含c a 2 + 小泡释放并不一定 需要o c t o n i n 9 0 的参与。 1 5 4 2 非耳石组分蛋白对发育的影响 一些非耳石组分蛋白可能在c a 2 + 和o t o c o n i n 的分泌中起作用。从而影响耳 石的发育。 o t o p e t r m 是一种蛋白质转运体( h u f l e e ta l 。，2 0 0 3 ) ，可能参与了耳石蛋白的分 泌( s o l l n e re ta 1 ，2 0 0 4 ) 。它在耳石下种之前以及耳石下种时在所有的上皮细胞中 表达，但在耳石生长过程中只在毛细胞中表达。o t o p e t r i n 敲除的斑马鱼耳石最初 一7 一 第l 章绪论( 耳石器官的研究进展) 不能形成，但之后恢复了无机化耳石的生长( h u 曲e se ta 1 ，2 0 0 4 ) 。与c a 2 + 分泌可 能有关的两种基因是n o x 3 ( n a d p h 氧化酶) ( b a n f fe ta 1 ，2 0 0 4 ，p a f f e n h o l ze ta 1 ， 2 0 0 4 ) 和n o x o l ( k i s se ta 1 ，2 0 0 6 ) 。它们的基因突变鼠中耳石缺失。 1 5 5 耳石发育的离子环境的调控 耳石的形成，以及毛细胞的转换机械能功能的实现，都需要以囊斑感觉上皮 附近的内淋巴中的c a + 和h + 浓度受到严格的调控为前提。为了阻止耳石晶体在 毛细胞顶端表面微环境中的增多，毛细胞束微区的p h 必须保持在相对于大的内 淋巴空问较低的水平。 内耳中存在几种c a 依赖的质膜结合三磷酸腺苷酶异构体( p m c a l 、2 、3 、4 ) ( c r o u c ha n ds c h u l t e 1 9 9 6 ) 。在缺失p m c a 2 时会引起耳聋，以及与耳石缺失相关 的前庭功能的缺 辂( k o z e le ta 1 ，1 9 9 8 ) 。p m c a 2 转运出的c a 2 + 可能是形成和维持 耳石晶体最主要的c a 2 + 来源。固定的c a 2 + 流有助于晶体结构的维持，防止晶体 的退化。上皮细胞分泌的c a 2 + 可能是耳石晶体形成的又一来源。 毛细胞中存在耳石形成所必需的碳酸酐酶，这种酶可以催化c 0 2 和h 2 0 产 生h c 0 3 - 和h + ，是耳石的形成所必须的。碳酸酐酶也存在于支持细胞，球囊和 椭圆囊的移行细胞以及内淋巴囊的一些上皮细胞中( l i r ae ta 1 ，1 9 8 3 ) ，这些细胞都 会分泌耳石结晶所需的蛋白质和离子。 c i i 转运体p e n d r i n ( p d s ) 可能通过分泌重碳酸盐影响耳石的形成( r o y a u xe t a 1 。2 0 0 1 ) 。p d s 也可能是通过干扰h c 0 3 。的形成影响p h ( s t a n k o v i ce ta 1 ，1 9 9 7 ) ： 或者c l 。可能是耳石形成所必需的离子( t a k u m i d ae ta 1 ，1 9 9 7 a ，p a y a ne ta l ，1 9 9 9 ) 。 当缺乏这种转运体时，会引起耳石的缺失或者耳石的大量减少( e v e r e t te ta 1 ， 2 0 0 1 ) 。 1 5 6 影晌耳石发育的环境因素 1 5 6 1 重力 研究表明重力刺激调节耳石的生长，例如，超重引起鸡孕期1 7 天后耳石重 量的下降；微重力条件下，蛙的椭圆囊耳石的体积增加了3 0 ( p e d r o z oa n d w i e d e r h o l d ，1 9 9 4 ) ，大鼠的耳石形态异常( v i n n i k o ve ta 1 ，1 9 8 1 ) 。鱼类在超重状态 下，耳石生长速度比在正常的地球重力状态下生长时慢，表现为耳石变小，c a 吸收减少( a n k e ne ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 幼年c i c h l i df i s h 长期处于适度的超重环境下生长( 3 9 ) ，椭圆囊和球囊耳石 一r 一 第1 章绪论( 耳石器官的研究进展) 都明显比在对照组( 1 9 ) 要小。球囊耳石的不对称程度明显提高，而椭圆囊耳石 的不对称程度显著降 氐( a n k e ne ta 1 1 9 9 8 ) ，提示耳石的双侧不对称发育受到环境 中的重力矢量的影响。有研究( h i l b i g e ta 1 ，2 0 0 2 ) 表明，当动物从超重环境转移到 正常的l g 地球重力条件，以及从1 9 环境转移到微重力环境，运动时会表现出前 庭障碍。表现出运动时前庭障碍的个体的椭圆囊耳石的不对称程度明显要高于行 为正常的动物；但有前庭障碍的个体球囊的不对称性与行为正常的动物相比没有 区别。 1 5 6 2 温度 随着鱼生存的水环境深度的增加，温度的逐渐下降是调控耳石生长的重要因 素( w i l s o n ，1 9 8 5 ) 。甚至当温度增加到超过鱼体生长的最适温度时，耳石生长的速 度继续增：n n ( p a n k h u r s ta n dm o n t g o m e r y , 1 9 9 4 ) 。温度升高时，耳石中碳酸盐和痕 量元素的比例会增 j 1 ( w o o d h e a d ，1 9 6 8 ，k a t i s h 。，1 9 8 9 ) 。有研究者认为碳酸盐饱和 的水的环境温度调控着耳石形成过程中沉积的物质量。 1 6 耳石器官的功能 耳石器官作为内耳的前庭感受器，主要与平衡功能有关，并且研究发现球囊 也可接收声音刺激( p a i g e ，2 0 0 2 ，c a m p a n a ，2 0 0 5 ) 。对鱼类的研究表明，椭圆囊和 球囊各有分工。椭圆囊主要与平衡和运动协调能力相关( r i l e ya n dm o o r m a n ， 2 0 0 0 ) ；球囊主要参与对声音的定位及频率选择( l ua n dx u ，2 0 0 2 ) 。在向高等动物 进化过程中，椭圆囊的功能较为保守，而球囊的功能则逐渐向平衡功能转化 ( c a r e ya n da m i n ，2 0 0 6 ) 。 瓶状囊作为进化地位特殊的耳石器官，受到广泛关注，下面将详细介绍瓶状 囊的进化过程、不同物种中瓶状囊的神经支配以及功能。 1 7 瓶状囊 瓶状囊只存在于非哺乳动物中，通常被称作第三种耳石器官。瓶状囊最早在 鱼类中分化出，爬行类动物瓶状囊的基部有基底乳突( b a g g e r - s j o b a c k ，1 9 7 4 ) ：鸟 类的基底乳突延伸出膜迷路，形成耳蜗导管( i s h i y a m a ，1 9 9 5 b ) ，瓶状囊位于耳蜗 顶端。哺乳动物中，耳蜗导管形成卷曲，而瓶状囊却消失了。进化比较高级的鸟 类的瓶状囊要比低等动物发育地更好，面积更大。瓶状囊进化地位的特殊性引起 了研究者们极大的关注，而对于它在鸟类神经系统中究竟起怎样的作用更是人们 一9 一 第1 章绪论( 耳石器官的研究进展) 所关心的问题。 1 7 1 瓶状囊的进化 h a r a d a ( 2 0 0 1 ) 对鱼类，两栖类，爬行类以及鸟类的瓶状囊的位置和结构进行 了比较，发现b l u e g i l l ( 鱼类) 瓶状囊位于球囊后侧，且处于球囊横向中心轴之上； 蝾螈和蛙( 两栖类) 瓶状囊位于球囊后侧，且处于球囊横向中心轴之下；龟( 爬 行类) 的瓶状囊位于球囊后侧的略下方；家禽类的瓶状囊位于球囊的前侧和腹侧。 另外，他们还观察到龟的瓶状囊从基底乳突伸入前庭，而鸡的瓶状囊却位于伸出 的基底乳突的末端。从瓶状囊位置的这一变化，他们猜测在脊椎动物在从爬行类 进化到鸟类之前还曾经出现过某种现在已经灭绝了的物种，将来可能通过d n a 技术来鉴定出这一已经灭绝的物种。 不同的物种中，瓶状囊斑的感觉细胞的极性类型也有所不同。b l u e g i l l 囊斑 上没有观察到微纹，不同位置感觉细胞的取向各不相同，没有特异的趋势性。蝾 螈微纹在囊斑的中心轴上，动纤毛朝向外周。蛙的微纹从前延伸到后。其背侧和 腹侧的细胞的极性相反，分别朝向背侧一面和腹侧一面。龟与蛙类似，在囊斑的 中心形成微纹，腹侧和背侧的纤毛束分别朝向腹侧和背侧。鸡囊斑的中心区域， 前侧和后侧的细胞极性相反，分别朝向前侧和后侧。从进化的角度来看，感觉细 胞的取向从在b l u e g i l l 中不明显，到在蝾螈可观察到细胞的极性并出现微纹，再 到蛙中出现明显的微纹和细胞极性，这一过程与动物的进化过程是一致的。 就瓶状囊在头部中的取向的角度而言：b l u e g i l l 的瓶状囊与椭圆囊成9 0 度 角；蛙的瓶状囊与水平面成3 0 度角；龟的瓶状囊与水平面垂直；鸽子( i s h i y a m a ， 1 9 9 5 a ) 的瓶状囊斑与椭圆囊成4 5 度角。 就瓶状囊斑纤毛束的直径和长度而言：b l u e g i l l 和蝾螈的动纤毛的长度与瓶 状囊的最长的静纤毛的长度相同，而蛙，龟和鸡的动纤毛的长度比最长的静纤毛 要长。纤毛束的直径由大到小依次为龟、蝾螈、鸡、蛙，b l u e g i l l 。p l a t t ( 1 9 7 7 ) 认为厚的纤毛束对外力的反应要比较薄的更明显。根据纤毛束的直径与它们对振 动的敏感性之间的这一关系，可以看出b l u e g i l l 和蛙的纤毛束可能相对不敏感， 龟和蝾螈的纤毛束高度敏感，瓶状囊纤毛束敏感程度的不同可能与动物不同的生 存环境有关。 1 7 2 瓶状囊的神经支配和功能 1 7 2 1 鱼类 一l o 第1 章绪论( 耳石器官的研究进展) 瓶状囊在一些硬骨鱼类中已经分化为了独立的终器官。在其它硬骨鱼以及软 骨鱼中，瓶状囊与球囊相互分离的水平各异。不同鱼类的瓶状囊功能也有所差别。 鱼类一般没有特异的听觉器官。人们认为球囊是很多物种感受声音振动的器官， 并且瓶状囊和球囊也可能部分参与了听觉功能。鱼类瓶状囊纤维投射在其它耳石 器官投射的终端区域附近，以及小脑( m c c o r m i c ka n db r a f o r d ，1 9 9 4 ，t o m c h i ka n d l u ，2 0 0 5 ) 。瓶状囊对球囊的听觉功能可能是一种补充，同时瓶状囊也可能参与了 重力感知和垂直方向运动时的定位。 1 7 2 2 两栖类 对两栖类动物的瓶状囊功能的认识是建立在了解内耳区域受到损伤的蛙的 运动行为的基础之上的。当蛙迷路双侧遭到损伤而瓶状囊保持完整性时，仍有 l e v e l i n go u t 反射；但是双侧迷路完全切除时，这一反射就消失t ( m a c n a u g h t o na n d m c n a l l y , 1 9 4 6 ) 。蛙的瓶状囊中，部分受体细胞对垂直方向的头部位置的变化敏 感，而其它的细胞仅仅对身体的振动敏感。对振动敏感的瓶状囊传入纤维比对头 部位置变化敏感的纤维有更急剧的幅度和频率特性( c o r t o p a s s ia n dl e w i s ，1 9 9 8 ) 。 随头部位置的变化而活动改变的瓶状囊纤维通常可分为三种：t o n i c 、p h a s i c o t o n i c 和p h a s i c 。分别占2 3 5 ，2 0 6 和4 1 2 ( c a s t o ne ta 1 ，1 9 7 7 ) 。将瓶状囊初级传 入纤维单元的细胞内记录和荧光黄染色结合起来，可以根据细胞在囊斑中的定 位，动纤毛的特性，以及支配毛细胞的初级传入纤维的反应类型，将毛细胞分为 不同的类另l j ( l e w i sa n dl i ，1 9 7 5 ，h e s sa n dp r e c h t ，1 9 8 4 ) ：在微纹的中心条带区的两 排细胞的动纤毛为灯球状，由一些释放受振动调整的纤维支配；在微纹区的中心 条带的外周部分，细胞带有短的动纤毛，或者是一些没有球状扩大部分的长纤毛。 这些细胞由p h a s i c 或p h a s i c o - t o n i c 纤维支配；微纹外的区域的毛细胞含有无球状 扩大的长动纤毛( b a i r da n dl e w i s ，1 9 8 6 ) 。对瓶状囊神经的单个纤维活动的记录没 有发现对振动的反应，但是对第八神经的前分支和后分支的记录显示出它们对初 级传入纤维有明显的反应。因此这样的反应可能与椭圆囊或球囊有关，或者在两 栖类乳突中产生( j o r g e n s e na n dc h r i s t e n s e n d a l s g a a r d ，1 9 9 1 ) 。 两栖类瓶状囊对所有的前庭核都有投射，瓶状囊纤维分布较为平均，投射在 腹前核和腹内侧核，腹外侧核，以及下行的前庭核团的中部和尾部。椭圆囊也对 所有的前庭都有投射，但背侧区域的纤维密度要高。球囊主要投射到同侧的听觉 核团，投向外侧和下行的前庭核的嘴侧部分的明显要少。另外，瓶状囊和球囊还 投射在小脑的嘴侧，而椭圆囊投射在尾倾l j ( r a c ze ta 1 ，2 0 0 6 ) 。瓶状囊纤维对垂直 方向的移动以及振动敏感，并且对所有的前庭核团和小脑有投射，这支持瓶状囊 在两栖类中具有前庭功能。此外，瓶状囊某种程度上也可能参与了区分听觉信号。 第1 章绪论( 耳石器官的研究进展) 1 7 2 3 鸟类 鸟类瓶状囊的毛细胞包括两种，i 型和i i 型。i 型毛细胞在微纹区占主导， 在微纹外只有i i 型( r i c e ie ta 1 ，1 9 9 7 ) 。每个瓶状囊纤维支配大约1 5 个感觉细胞 ( i s h i y a m a ，1 9 9 5 b ) 。瓶状囊i 型和i i 型毛细胞的的电特性与其它的前庭耳石器官 相似( r i c c ie ta 1 ，1 9 9 6 ，r i c e ia n dc o r r e i a ，1 9 9 9 ) 。 鸟类瓶状囊纤维投射研究较多。损伤技术、 3 h 】射线成像技术、以及辣根过 氧化物酶和霍乱毒素共同作用于耳蜗瓶状囊神经，都发现鸽子瓶状囊纤维与球 囊和椭圆囊纤维投射的相同的终端区域( b o o r da n dk a r t e n ，1 9 7 4 ，d i c k m a na n d f a n g ，1 9 9 6 ) 。在小脑中也发现了一些瓶状囊纤维的投射( s c h w a r za n ds c h w a r z ， 1 9 8 6 ) 。目前，对于鸟类瓶状囊是否向听觉核团有投射还存在争议。损伤技术的 研究发现了向听觉核团的单个瓶状囊投射( b o o r da n dr a s m u s s e n ，1 9 6 3 ，b o o r da n d k a r t e n ，1 9 7 4 ) 。但已有的解剖学，形态学上的证据大多支持瓶状囊与前庭核团和 小脑联系较多，而向听觉核团的投射明显要少。例如，使用亲脂性的荧光示踪物 标记鸡的瓶状囊纤维，没有在耳蜗核团发现投射；但在基底乳突受到这一示踪物 的污染时，在与鸽子相同的耳蜗区域存在标记，这提示鸡的耳蜗核团并未加工来 自于瓶状囊的信，息( k a i s e ra n dm a n l e y , 1 9 9 6 ) 。用填满了标记物的电极研究初级瓶 状囊传入纤维的活动情况，发现瓶状囊毛细胞对听觉信号不敏感( m a n l e ye ta 1 ， 1 9 9 1 ) 。另外，瓶状囊还可能与垂直方向的加速度的探测有关。 鸟类瓶状囊的功能至今仍不清楚。目前，一般认为鸟类瓶状囊参与了前庭功 能。然而，有人提出瓶状囊可能与鸟类神秘的导航能力有关，但对此假说存在争 议，还有待进一步的研究。 一1 2 一 第2 章绪论( 鸟类导航机制的研究进展) 2 1 引言 第二章绪论( 鸟类导航机制的研究进展) 人类很早就已经注意到迁徙的鸟类有突出的导航能力，但直到1 9 世纪末， 人们才开始关注鸟类为什么能够导航。对鸟类导航机制的研究逐渐兴起。研究者 们提出了种种关于鸟类导航机制的假说，但至今仍没有统一的定论。鸟类的导航 仍是个谜，有一种普遍接受的观点认为信鸽可以依靠感受地球磁场信息正确归 巢，但具体的生理机制仍不清楚，且特异的磁感应接收器未鉴定。有学者认为瓶 状囊中含有较高含量的f e 、z n 元素是其参与了地磁导航的证据。 2 2 鸟类导航相关理论 2 2 1 早期的鸟类导航能力假说 v i g u l e r t i 提出第一个关于鸟类导航的假说，他认为鸟类可能利用磁变量，如 磁的强度和方向，在空间的分布来判断他们所处的相对位置。r e y n a u d 和e x n e r 提出的另一个假说认为鸽子可能以某种方式根据它们之前的飞行经历以及飞行 路线来确定归巢路线。这两个假说对导航信息来源的解释是相反的，前者认为使 用的是起飞地点的具有位置特异性的信息；而后者认为使用的是出行途中与路途 相关的信息。直至今天，这两种观点之间仍存在争议。 2 2 2 鸟类导航的“三大定位方式 g r i f f i n 在大量的放飞实验基础( g r i f f i n ，1 9 4 0 ，1 9 5 2 a ) 上，根据鸟类导航定向的 复杂程度，将定位过程分为三类( g r i f f i n ，1 9 5 2 b ) 。第一类方式最为简单。即在熟 悉地形中，导航依赖于可见的地标：在不熟悉地形中，鸟类会不断观察，进行无 方向的试验性飞行，直到看到熟悉的地标。第二类方式较为复杂，通过这种方式， 鸟类在不熟悉的地形中，也可以按照确定的方向飞行。第三类方式最为复杂，大 大提高了鸟类的归巢能力。鸟类可以通过这种方式在不熟悉的地形中，朝着与巢 穴大概一致的方位飞行。 一1 3 一 第2 章绪论( 鸟类导航机制的研究进展) 2 2 3 “地图和罗盘 模型 k r a m e r 提出的“地图和罗盘 模型被大多数的研究者所接受，